P edstavení procesor s architekturou ARM Referát Pokro ilé architektury po íta
Jan Bartošek bar712
Úvodem AT91SAM (tj. AT91 Smart ARM-based Microcontrollers) od spole nosti Atmel je 32bitová ada RISC mikroprocesor zalo ená na architektu e ARM. Procesory obsahují pam ti Flash a SRAM, množství periferií a také n která strandardní komunika ní rozhraní. Dají se tedy ozna it termínem SoC (system-on-a-chip). Externí rozhraní zahrnují USB a CAN sb rnice, Ethernet, SPI, USART, ADC. adi DMA umož uje p ímou komunikaci mezi externími rozhraními a pam tí. Tím se zvýší datová propustnost s minimálnímí nároky na samotný procesor. Vnit ní periferie mikrokontrolér jsou íta e a asova e, obvody Power-on-Reset, napájecí obvody a vylepšené adi e p erušení. To zlepšuje výkon procesoru v reálném ase. Obvody ízení napájení udržují proudovou spot ebu obvodu na miminu tím, že se vypínají nepoužívané periferie a rozhraní, p íp. m že být procesor uveden do standby módu.
ARM je p vodn název spole nosti Acorn RISC Machines, která vyvinula cca v roce 1987 první RISC procesor s názvem ARM - údajn p vodn pro levný desktopový po íta . Pozd ji se po úsp chu procesor ARM1 až ARM3 odd lila divize procesor ARM jako firma Advanced RISC Machines (Acorn vyvíjel i OS - RISC OS). Jak plyne z názvu spole nosti zam ovala se na procesory s architekturou RISC (Reduced Instruction Set Computing). Od doby odšt pení opustilo dílny ARM n kolik ad procesor od ARM6 až po ARM11. Výhoda ARMu spo ívá p edevším v jeho RISCové instruk ní sad - instrukce jsou vykonávány p ímo hardwarem, nikoli mikrokódem. To že procesor obsahuje menší po et hardwarových instrukcí d lá jeho návrh do jisté míry jednodušší, samotný procesor je menší a tedy má menší spot ebu. Jednodušší instruk ní soubor umož uje také snadn jší vytvo ení kompilátoru. Díky n kterým vlastostem ARM je omezen i problém p edpovídání skok , který je tak ožehavý ve sv t CISC. Za výhody RISCových procesor se považuje i v tší po et univerzáln použitelných registr . ARM má navíc n které vymoženosti jako jsou podmín né instrukce. ARM architektura je založená na redukovaném instruk ním souboru (RISC) mající vysokou instruk ní výkonnost a rychlou reálnou odezvu na p erušení. Nelze také opomenout 16bitovou Thumb podmnožinu která ušet í 35-40% pam ti ve srovnání s 32bitovým instruk ním souborem aniž by se významn snížil výkon.
ARM7 – specifikace jádra 32bitový RISC procesor (redukovaná instruk ní sada) 0,18 mm technologie
napájení 1,8 V p íkon < 0,4 mW pracovní frekvence 60-110 Mhz architektura typu von Neumann (data i program v jednom adresovém prostoru) 3 stavové zpracování instrukcí (pipeline)
ARM7 – z hlediska programování 37 celo íselných 32bitových registr 8, 16, 32bitové datové typy 7 pracovních režim : o usr – normální programový režim o fiq – režim datového p enosu (rychlá obsluha IRQ, p enos dat prost ednictvím DMA) o irq – režim pro základní p erušovací služby o svc – chrán ný režim pro opera ní systém o abt – režim pro p ípad, kdy data nebo provád ná instrukce se nepoda í správn vykonat o sys – privileg režim pro uživatelskou aplikaci o und – režim pro p ípad vykonání nedefinované (neznámé) instrukce
ARM7 – popis registr struktura registr závisí na pracovním režimu R0-R12 univerzální 32bitové registry R13 (SP) ukazatel do zásobníku adres R14 (LR) registr pro uložení obsahu registru R15 p i vykonání instrukce typu BL R15 (PC) programový íta R16 (CPSR) stavový registr
ARM7 – instruk ní sada 15 typ instrukcí pro v tvení programu (B, BL, BLX, BX, ...) 16 typ instrukcí pro aritmetické a logické operace (AND, ADD, SUB, MUL, ...) 10 typ instrukcí pro p esun dat (MOV, LDR, STR, SWP, ...) SWI instrukce pro softwarové p erušení
ARM Thumb – specifikace instruk ní sada je 16bitová, o 35-40 % mén programové pam ti redukované instrukce nemají vliv na snížení výkonu registry z stávají 32bitové, ale používá se jen jejich polovina redukované instrukce se dekódují b hem standardního dekódovacího cyklu významn zjednodušuje návrh procesorového systému
Atmel AT91SAM7X Architektura t chto procesor na bázi ARM7 se vyzna uje, krom p edchozího, následujícími rysy: Vylepšená architektura ARM. Deterministické chování – p edvídatelná odezva na události v reálném ase, p edem známý po et hodinových takt . Podpora DMA – zrychlení komunikace mezi periferiemi a pam tí. Vylepšené ízení a obsluha p erušení, zlepšená funkce v reálném ase. Bitové operace set/reset jedinou instrukcí zjednodušují kód. Pam Flash pro ukládání kódu a dat. Rozli ná komunika ní rozhraní – USB, Ethernet, SPI, USART, atd. Prost edky pro zvýšení bezpe nosti – zrychlené výpo ty kryptovacích algoritm AES/TDES, zamykání pam ti, atd. Kompatibilita kódu pro všechny procesory. Levné vývojové prost edky.
Hlavní znaky: ARM7TDMI ARM Thumb Processor Interní rychlá Flash pam
512 kB (AT91SAM7X512) 256 kB (AT91SAM7X256) 128 kB (AT91SAM7X128) Interní rychlá SRAM pam , p ístup v jednom cyklu o 128 Kbytes (AT91SAM7X512) o 64 Kbytes (AT91SAM7X256) o 32 Kbytes (AT91SAM7X128) Memory Controller (MC), Reset Controller (RSTC), Clock Generator (CKGR), Power Management Controller (PMC), Slow Clock Mode (Down to 500 Hz) and Idle Mode, Advanced Interrupt Controller (AIC) Periodic Interval Timer (PIT), 20bitový programovatelný íta , 12bitový intervalový íta Real-time Timer (RTT), Windowed Watchdog (WDT) Two Parallel Input/Output Controllers (PIO) Thirteen Peripheral DMA Controller (PDC) Channels One USB 2.0 Full Speed (12 Mbits per second) Device Port One Ethernet MAC 10/100 base-T One Part 2.0A and Part 2.0B Compliant CAN Controller Two Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitters (USART) o Individual Baud Rate Generator, IrDA Infrared Modulation/Demodulation o Support for ISO7816 T0/T1 Smart Card, Hardware Handshaking, RS485 Support One Four-channel 16-bit Power Width Modulation Controller (PWMC) One Two-wire Interface (TWI) One 8-channel 10-bit Analog-to-Digital Converter, Four Channels Multiplexed with Digital I/Os Fully Static Operation: Up to 55 MHz at 1.65 V 100-lead LQFP and 100-ball TFBGA Packages o o o
Záv r Architektura ARM hraje d ležitou roli na poli mikroprocesor , jsou již vyvinuty i pokro ilejší verze (ARM7-ARM11). Architekturu ARM7 používají i procesory Atmel AT91SAM7X. Ty jsou vybaveny velkým množstvím periferií a komunika ních rozhraní USB, Ethernet, CAN, možností p ipojení pam ových karet, atd. Spojením ARM a t chto periferií vzniká velice výkonný komplexní procesor, který je možné využít v mnoha za ízeních nap . spot ební elektroniky, v automobilech, ídicí a m icí technice.
Literatura http://www.atmel.com http://www.hw.cz http://www.arm.com
